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Zn-Cu包晶合金定向凝固组织及相选择

王猛  
【摘要】: 包晶凝固是一类十分重要的相变过程,许多结构材料和功能材料的加工过程均涉及到包晶反应。近年来人们发现,通过包晶凝固可以获得丰富多彩的凝固组织,而这些组织的形成已经不能为早期的包晶凝固理论所解释。 为了对包晶合金的凝固组织演化、组织及相选择规律、快速凝固条件下的层片生长结构及其形成原因进行系统性研究,本文以Zn-Cu合金为实验合金,选择了亚包晶、过包晶以及接近包晶点成分的四组试样,在45K/mm的温度梯度和2μm/s~6400μm/s的凝固速度区间进行了定向凝固实验。采用组织形貌观察、相结构鉴定等方法,分析合金成分以及凝固条件对最终凝固组织和相构成的影响,依据实验结果归纳出Zn-Cu包晶合金的组织选择表。在考虑充分形核假设的条件下,采用数值计算方法求算各相以单相凝固时的界面响应函数,确定给定温度梯度和合金成分的凝固动力学优势相,基于最高界面生长温度判据对凝固过程中的组织及相选择规律进行分析;而后通过考虑优势生长相界面前沿成分过冷区的形核,引入两相在凝固过程中的相互作用,对最高界面生长温度判据给出的组织及相选择图加以修正。与实验中获得的组织选择图对比,发现修正后的组织及相选择图与实验吻合良好。 研究中发现,随着凝固速度的提高,低速下的胞状生长有向高速条件下的有序层片组织转变的趋势,并在3200μm/s以及6400μm/s的高速凝固条件下Zn-2.0wt%Cu合金中获得了典型的两相层片状生长组织,其组织形貌与较低速度条件下形成的列状胞晶组织有显著差异。采用计算相图方法对Zn-Cu包晶相图的亚稳分支进行了考察,发现在高速凝固条件下,由于界面非平衡效应和界面张力作用的影响,平衡的包晶相图将发生向亚稳共晶相图的转变,并据此对两相层片状生长组织的形成机理进行解释。结合共晶凝固层片间距计算的相关理论模型对这种凝固组织的层片间距进行了分析,发现基于亚稳相图的共晶层片间距模型可以对实验中观察到的两相层片间距给出较好描述。


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